Güneş Fotovoltaik Hücrelerinin Ömrünü ve Verimliliğini Artırma Yolu Perovskites
Bu yıl, "Işığın ve sıcaklığın karışık iyon halojenür perovskitlerin optik özellikleri ve stabilitesi üzerindeki etkisini anlamak" ve "Tünelleme mikroskobu tarayarak elektrik alanlarının kurşun halojenür perovskitler üzerindeki etkisini araştırmak" başlıklı makalelerinde, Drs. Nienhaus ve Wieghold güneş fotovoltaik (PV) hücrelerinin daha uzun ömürlülüğünü ve verimliliğini sağlayabilecek perovskitlerin performansını iyileştirme yollarını araştırdılar.
Perovskite-info web sitesi; Perovskitleri "benzer bir yapıyı paylaşan ve süper iletkenlik, manyetore direnç ve daha fazlası gibi sayısız heyecan verici özellik sergileyen bir malzeme sınıfı" olarak tanımlar. (Aslında, doğal olarak oluşan bir kalsiyum titanyum oksit minerali olan perovskite ile aynı kristal yapıya sahip sentetik bileşiklerdir.)
ABD Enerji Bakanlığı'nın Güneş Enerjisi Teknolojileri Ofisi'ne (Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi'nin bir parçası) göre, perovskite güneş pilleri 2006'dan beri var ve son yıllarda dönüşüm verimliliğinde hızlı artışlarla kayda değer bir ilerleme gösterdi: 2006'da yaklaşık %3, 2020'de %25'in üzerine çıktı. Verimliliğin bu derece iyileştirilmesi, nispeten kısa bir zaman çerçevesinde olmasına rağmen, bunun ticari olarak elde edilebilir uygun bir teknoloji haline gelmesi için aşılması gereken bazı göz korkutucu engeller vardır.
Belki de en önemli sınırlama, diğer PV teknolojileriyle karşılaştırıldığında malzemenin göreli dengesizliğidir. Perovskitler "yumuşak maddelerdir" ve neme, uzun süre ışığa ve yüksek ısıya maruz kaldıklarında bozulma eğilimindedir. Prof. Nienhaus’un araştırma ekibi, perovskite filme az miktarda sezyum eklemenin termal ve foto stabilitesini artırdığını buldu. Ayrıca perovskitlerin voltaj ve PV performansı arasındaki ilişkiyi de araştırdılar. Açıktır ki, ticari perovskit PV panellerinin geliştirilmesi için artan stabilite kritik öneme sahiptir.
Güneş Enerjisi Teknolojileri Ofisine göre, şu anda kullanılmakta olan kurşun bazlı perovskit emicinin çevresel etkisi de çözülmesi gereken bir sorun ve düşük toksisiteli emicileri belirleme çabaları devam ediyor. Bu türdeki herhangi bir geliştirme sürecinde olduğu gibi, ölçeklenebilir ve yeniden üretilebilir bir üretim süreci ticari başarı için kritik öneme sahiptir ve bu zorluğun çözümü, muhtemelen PV için perovskitlerin geleceğini belirleyecektir.
Stanford’lu bilim adamları da, perovskite güneş modülleri üretmenin ultra hızlı yolunu keşfetti.
Günümüzde çoğu güneş hücresi, güneş ışığını temiz elektriğe dönüştüren rafine silikondan yapılmıştır. Ne yazık ki, silisyumun rafine edilmesi süreci temiz olmaktan uzaktır ve karbon yayan enerji santrallerinden büyük miktarda enerji çekilmesini gerektirir. Stanford Üniversitesi’nde Prof. Reinhold Dauskardt'ın laboratuvarı; perovskite modüllerin geleneksel silikon panellere göre daha ucuz ve dört kat daha hızlı üretilebilir olduğunu kanıtladı.
Minimum enerji ile ve neredeyse hiç CO2 emisyonu olmadan üretilebilen düşük maliyetli, esnek güneş pilleri için silikona daha çevreci bir alternatif geliştirmek üzere araştırmacılar ince film perovskitlere odaklandılar.
Stanford Üniversitesi doktora sonrası akademisyeni Nick Rolston, "Perovskite güneş enerjisi teknolojisi ticarileştirme ve gündem dışı kalma arasında bir dönüm noktasında. Startuplara milyonlarca dolar harcanıyor. Ancak önümüzdeki üç yıl içinde hücre ömrünü uzatan bir gelişme olmazsa bu alana yapılacak yatırımların duracağına şiddetle inanıyorum" dedi.
Joule dergisinin 25 Kasım sayısında yayınlanan yeni bir çalışma, Rolston ve meslektaşları, kararlı perovskit hücreleri üretmenin ve bunları cihazları, binaları ve hatta elektrik şebekesini çalıştırabilecek güneş modüllerine monte etmenin ultra hızlı bir yolunu gösteriyor.
Tırnak boyutunda örnekler
Perovskite güneş pilleri, iyot, karbon ve kurşun gibi ucuz, bol kimyasallardan yapılmış ince sentetik kristal filmlerdir.
İnce film hücreleri hafiftir, bükülebilir ve endüstriyel silikonu rafine etmek için gereken 3.000 derece Fahrenheit (1.650 derece Santigrat) fırınlardan çok uzak olan, suyun kaynama noktasına yakın sıcaklıklarda açık hava laboratuvarlarında geliştirilebilir.
Bilim adamları, güneş ışığının yüzde 25'ini elektriğe dönüştüren perovskit hücreleri geliştirdiler, bu da silikon ile karşılaştırılabilir bir dönüşüm verimliliği anlamına geliyor. Ancak bu deneysel hücrelerin yakın zamanda çatılara kurulması pek olası değil.
Perovskitler üzerinde yapılan çoğu çalışma, gerçekten çok küçük aktif, kullanılabilir güneş pili alanlarını hedefler. Çalışmayı şu anda Dartmouth College'da eski bir Stanford doktora sonrası araştırmacı olan William Scheideler ile birlikte yöneten Rolston, “tipik olarak bu küçük alan tırnağınızın küçük bir kısmı kadardır” dedi.
Dauskardt, "Laboratuvarda küçük bir demo cihaz yapabilirsiniz. Ancak geleneksel perovskit işleme, hızlı ve verimli üretim için bu ölçeklendirilemez" dedi.
Dauskardt ekibi, büyük ölçekli üretimin zorluğunun üstesinden gelmek için, yakın zamanda icat ettikleri, hızlı püskürtmeli plazma işleme adı verilen patentli bir teknoloji geliştirdi.
Bu teknoloji, hızlı bir şekilde ince perovskite filmleri üretmek için iki nozullu robotik bir cihaz kullanır. Bir nozül, bir cam levha üzerine sıvı bir perovskit kimyasal öncül çözeltisini püskürterek kaplarken, diğeri plazma olarak bilinen oldukça reaktif iyonize bir gaz patlaması yayar. Patentli cihaz, Prof. Reinhold tarafından icat edildi.
Rolston, "Bizim yeniliğimiz, sıvı perovskiti tek bir adımda hızlı bir şekilde ince film güneş piline dönüştürmek için plazma yüksek enerji kaynağı kullanmaktır" dedi.
Hızlı püskürtmeli işlemi kullanarak, Stanford ekibi dakikada 40 fit (12 metre) perovskite film üretmeyi başardı. Bu, bir silikon hücre üretmek için gerekenden yaklaşık dört kat daha hızlıdır.
Rolston, "Herhangi bir güneş enerjisi teknolojisinin en yüksek verimine ulaştık. Bu yeni perovskite hücrelerinde yüzde 18'lik bir güç dönüştürme verimliliği elde ettik. Bu süreci mümkün olduğu kadar uygulanabilir ve geniş anlamda faydalı hale getirmek istiyoruz. Plazma işleme sistemi kulağa hoş gelebilir, ancak çok makul bir maliyetle ticari olarak satın alabileceğiniz bir şey olmalı" dedi.
Stanford ekibi, perovskite modüllerinin fit kare başına yaklaşık 25 sente üretilebileceğini tahmin ediyor. Bu, tipik bir silikon modül üretmek için gereken metrekare başına 2,50 $ maliyetten çok daha az.
Geleneksel silikon modüller, kilovat-saat başına yaklaşık 5 sentlik bir maliyetle elektrik üretir. Silikonla rekabet edebilmek için perovskit modüllerinin, nemi en az on yıl boyunca dışarıda tutan hava koşullarına dayanıklı bir tabaka içinde kapsüllenmesi gerekir. Araştırma ekibi şimdi yeni kapsülleme teknolojilerini ve dayanıklılığı önemli ölçüde artırmanın diğer yollarını araştırıyor.
Rolston, "30 yıl süren bir perovskite modülü inşa edebilirsek, elektrik maliyetini kilovat-saat başına 2 sentin altına indirebiliriz. Bu fiyata, şebeke ölçeğinde enerji üretimi için perovskitleri kullanabiliriz. Örneğin, 100 megavatlık bir güneş enerjisi tarlası neden olmasın" dedi.
ABD Enerji Bakanlığı’nın Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı’nda araştırmacı olan Michael Woodhouse, aynı zamanda çalışmanın ortak yazarıydı. Stanford'un diğer ortak yazarları doktora öğrencileri; Austin Flick, Justin Chen ve Oliver Zhao; ve lisans öğrencileri Hannah Elmaraghi ve Andrew Sleugh idi.
Bu çalışma, ABD Enerji Bakanlığı'nın Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi ve Ulusal Bilim Vakfı'nın Lisansüstü Araştırma Bursları Programı tarafından desteklenmiştir.
